Результаты опытнопромышленных работ по тонкослоевой разработке комбайном Wirtgen 2200SM строительных известняков Пятовского месторождения

М. Пихлер, президент фирмы Wirtgen International GmbH (Германия) А.А. Журавлев, президент Ассоциации «Недра» (Россия) Ю.Б. Панкевич, к.т.н., менеджер по продажам ООО «Виртген Интернационал Сервис» (Россия)

М.Ю. Панкевич, менеджер по продажам Wirtgen International GmbH  По инициативе и при организационной поддержке Ассоциации «Недра» на карьере ОАО «Пятовское карьеро-управление» были осуществлены пионерные работы по безвзрывной технологии добычи известняков.

Опытно-промышленные работы по безвзрывной технологии с использованием комбайна Wirtgen Surface Miner модели 2200 SM проведены в период с ноября 2008 по февраль 2009 года на карьере Ново-Пятовского участка Пятовского месторождения строительных известняков, служащего сырьевой базойОАО «Пятовское карьероуправление».

Wirtgen 2200SM

Ново-Пятовский участок, расположенный в Дзержинском районе Калужской области эксплуатируется с 1982 года Пятовским карьероуправлением. Товарная продукция предприятия – строительный щебень и известняковая мука – продукт переработки отходов дробления.

Полезная толща месторождения (средней мощностью около 25 м), залегающая горизонтально, представлена четырьмя горизонтами известняков (снизу вверх): Алексинским, мощностью 8–17 м, прочностью до 120 МПа; Михайловским, 5–11 м, прочностью 60 МПа; Веневским, 6–11.8 м, прочностью 40 МПа; Тарусским, 9–10 м, прочностью 35–40 МПа.

Каждый из горизонтов представлен чередованием пачек и линз известняков, глин, песков различной мощности. Массив рассечен системой горизонтальных и вертикальных трещин. Большинство трещин горизонтального направления рассекают массив на плиты толщиной 0.3–0.8 м.

На отдельных участках площадь кровли продуктивного горизонта слагается известняками тонкоплитчатого строения (5–10 см). Вертикальные трещины, пронизывающие всю полезную толщу до подошвы, обычно шириной от 3 до 30 см, заполненные четвертичными отложениями.

Фото 1 Работа комбайна Wirtgen 2200 SM с прямой погрузкой известняка в автосамосвал (на заднем плане — откос уступа по Веневскому горизонту)

Фото 1 Работа комбайна Wirtgen 2200 SM с прямой погрузкой известняка в автосамосвал
(на заднем плане — откос уступа по Веневскому горизонту)

Структурно-текстурные особенности карбонатного массива, его нарушенность системами трещин, характеризуют массив как крупноблочный с размерами блоков по высоте до 0.3–0.8 м по длине и ширине 0.5–1.5 м. Чередование пачек и линз известняков объемной массой 2.35 т/м3, глин, песков, различной мощности, могут затруднить получение равномерного выхода фракций известняка в забоях.

При современной технологии разработки Пятовского месторождения с буровзрывной подготовкой известняков к выемке, выход готовой продукции составляет 72–74%.

Разработка месторождения производится четырьмя уступами, высота которых предопределяется мощностью описанных выше горизонтов. Выемка известняка и удаление вскрышных пород осуществляется механическими лопатами ЭКГ-5 (6 ед.), транспортирование – автосамосвалами БелАЗ-7522 (5 ед.) и БелАЗ-7523 (9 ед.). В настоящее время объемы добычи составляют около 1 млн. т/год. Режим работ предприятия – непрерывный, 353 рабочих дней, в три смены продолжительностью по 8 час.

Для проведения опытно-промышленных работ был выделен участок уступа в восточной части карьера с площадкой, представляющей кровлю Михайловского горизонта. Пересеченный микрорельеф площадки (с перепадами отметок ±0.5 м) потребовал проведения предварительных работ по выравниванию ее поверхности, что с начала работ было сделано комбайном. Отметки одного края площадки по длине отличались от другого на ~2 м. По длинным и коротким сторонам площадка ограничивалась выработанным пространством и вышележащими уступами по Веневскому и Тарусскому горизонтам.

Комбайн 2200 SM (заводской №420) был доставлен на предприятие 15 ноября 2008 г, к 16 ноября были закончены все монтажные работы (установка разгрузочного конвейера, монтаж скрепляющей верхней конструкции и соединение запиточных магистралей). После монтажа 16 ноября комбайн был перевезен на рабочую площадку.

Для обеспечения высокой производительной работы комбайна были приняты следующие решения: - микрорельеф площадки выровнять и сделать ее по возможности близкой к горизонтальной; - отработку каждого очередного слоя начинать с проведения врубовых выработок в торцевых частях площадки; - на площадке вдоль откоса добычного уступа Веневского горизонта поддерживать транспортную берму шириной 30 м.

0022

Фото 2 Работа зауженной заходкой на участке, сложенном весьма
крепкими породами

Горные работы были начаты с выполнения комбайном параллельных (фронтальных) проходов вдоль откоса уступа по Михайловскому горизонту, с развитием в северо-восточном направлении к откосу выше лежащего добычного уступа по Веневскому горизонту.

Площадка отрабатывалась горизонтальными слоями с выходом на рельеф. При этом длина первоначальных проходов комбайна составляла от 60 до 90 м. По мере полной отработки слоев и понижения отметки площадки длина рабочих ходов комбайна постоянно увеличивалась и уже на четвертый день работ достигла 200 м, что значительно снизило долю общего фонда рабочего времени, расходуемого комбайном на маневры. Это в конечном итоге привело к увеличению общего времени фрезерования и повышению коэффициента производительного использования комбайна в течение смены.

В первые два дня работы в связи с продольным наклоном площадки по длине и колебаниями отметок с 170–171 м до 168–169м – в середине и до 167.5 м в конце площадки, длина фронтальных проходов изменялась от 60 до 90 м (фото 1).

Короткие рабочие проходы комбайна предопределили его работу по челноковой схеме, предусматривающей после завершения рабочего прохода без разворота комбайна, его возвращение холостым ходом к началу следующей заходки (полосы). Во время ведения опытно-промышленных работ велись измерения эксплуатационных параметров комбайна, определяющих его производительность, а также регистрировалось общее время выполнения различных операций, в частности по хронометражным наблюдениям регистрировалось время чистой работы комбайна на фрезеровании известняка, времени на маневры и на обмен автосамосвалов под погрузку. Кроме того, обязательно регистрировались причина и время всевозможных простоев комбайна, а также затраты времени на ежесменное обслуживание, включающее заправку дизельным топливом, очистку гусениц и конвейера от налипающих пород, на осмотр и смазку узлов комбайна, проверку гидросистемы и состояния рабочего барабана.

Анализ результатов хронометражных наблюдений с самого начала опытно-промышленных работ показал, что выделенная на уступе площадка сложена разно-прочностными известняками. Об этом свидетельствует разброс данных замеров времени погрузки БЕЛАЗов, составляющей от 4–6 до 16–18 минут. Широкий диапазон времени погрузки одного самосвала в пределах одного или нескольких соседних проходов комбайна лишний раз подтверждает высказанное нами предположение о том, что фактическая крепость (прочность) известняков значительно выше, чем декларированная в геологической характеристике месторождения.

В связи с этим, нами было высказано предположение, что при длине пробега комбайна 35–40 м, достаточной для загрузки 30-тонного БЕЛАЗа, участки с известняком повышенной прочности будут встречаться через каждые 150–180 м длины прохода. Это предположение во время работы комбайна подтвердились 18 и 19 ноября.

По мере продвижения фронта работ от краевой зоны к средней части площадки такие участки попадались все чаще. В результате, 19 ноября среднее время погрузки БЕЛАЗа грузоподъемностью 30 т увеличилось до 9.7 мин, а техническая производительность комбайна уменьшилась до 167 т/ч (см. таблицу).

Выявленные в ходе работы комбайна особенности сложения массива известняка рабочей площадки (включения линз повышенной крепости, обусловившие низкую, менее 1 м/мин, рабочую скорость движения комбайна) потребовали внести ряд коррективов.

Во-первых, стала очевидным необходимость утяжеления комбайна, т.е. повышения его собственной массы, что было достигнуто заполнением водяного бака соляркой общей массой 4.1 т.

Во-вторых, необходимо было снизить нагрузку на рабочий орган и механизмы комбайна за счет снижения сопротивления резанию массива и уменьшения площади сечения забоя. Для этого пришлось уменьшить ширину полосы резания известняков, и комбайн работал заходками шириной, равной половине или трем четвертям длины рабочего барабана (фото 2).

Повышенная прочность массива, кроме того, заставила заменить резцы типа К47 W17 (с твердосплавной вставкой диаметром 17 мм), установленные заводом-изготовителем комбайна, на К47 W19. В результате предпринятых корректировок техническая и эксплуатационная производительности комбайна заметно возросли соответственно до 180 и 147 т/ч.

При приближении полос-заходок к краевой зоне, где массив сложен в большей степени мелко- и среднекусковым материалом, время погрузки автосамосвала грузоподъемностью 30 т, по данным хронометража 19 ноября, снизилось до 8.8 мин, а техническая производительность комбайна увеличилась до 195 т/ч (см. таблицу).

Показательными представляются результаты хронометража разработки массива в краевой зоне. В первой половине дня для работы с комбайном был выделен всего лишь один БЕЛАЗ грузоподъемностью 30 т. За два часа работы он выполнил 8 рейсов. Время погрузки изменялось от 6 до 10.3 мин (среднее 7.9 мин). Из двух с лишним рабочих часов 52.6% времени комбайн вел разработку массива с прямой погрузкой в транспорт, 47.0% времени простоял в ожидании транспортных средств. При этом техническая производительность составила 197 т/ч, а эксплуатационная – 170 т/ч.

Стало очевидным, что для беспростойной работы комбайна и практического удвоения его сменной производительности необходимы как минимум два автосамосвала.

Поэтому во второй половине дня для работы с комбайном были выделены два БЕЛАЗа, но уже грузоподъемностью 40–45 т. Простои комбайна были ликвидированы и, если с одним 30-тонным автосамосвалом комбайн с начала смены до обеда добыл около 210 т, то после обеда – уже 500 т.

0017

При этом техническая производительность составила 286 т/ч, а эксплуатационная – 222 т/ч. Из этих данных также следует, что с автосамосвалами грузоподъемностью 40–45 т достигается более производительная эксплуатация комбайна 2200SM.

Следует отметить, что опытно-промышленные работы проходили в сложных погодных условиях: довольно часто шел дождь и мокрый снег, что усугублялось положительной температурой воздуха. В этих условиях переработка на ПДСУ горной массы в виде смеси глины и кусков скальных пород – не представлялась возможной.

По этой причине было принято решение до наступления морозной погоды перевести комбайн на кровлю Веневского горизонта, сложенного крупноблочным известняком (фото 3).

После очистки площадки от снега с помощью комбайна начали зачищать кровлю скальных пластов от грязи и глины. Уже во время второго прохода стало видно, что в штабель (см. рисунок выше) от комбайна укладывается достаточно сухой материал (влажностью – 10.3%), и поэтому решили отгружать добываемый известняк в автосамосвалы. При этом время погрузки 30-тонного БЕЛАЗа составляло около 5 мин, что свидетельствует о том, что известняк Веневского горизонта в общей своей массе менее крепкий, и поэтому техническая производительность комбайна составила свыше 300 т/ч. Относительно невысокая эксплуатационная производительность в таких условиях объясняется коротким фронтом работ (60 м) и большими простоями комбайна в связи с его работой всего лишь с одним автосамосвалом.

Вместе с тем и здесь встретился участок довольно крепких известняков, на котором рабочая скорость комбайна составляла менее 1 м/мин. Отобранные образцы были исследованы на прочность. Сравнение с первичной геологической документацией показало, что на отдельных участках прочность известняка выше почти в полтора раза. Так, предел прочности образца на сжатие на Михайловском горизонте изменялся от 54.6 до 127.8, составляя в среднем 89.1 МПа (ранее 60 МПа).

Фото 4 Конус известняка фракции +20–40 мм, добытого комбайном 13 февраля 2009 г.

Фото 4 Конус известняка фракции +20–40 мм, добытого комбайном 13 февраля 2009 г.

Тот же показатель для Веневского горизонта изменялся от 53.9 до 114.7 МПа, составляя в среднем 86.8 (ранее 57 МПа).

Анализ использования эксплуатационного времени по составляющим рабочего цикла комбайна и времени смены показал: - в конкретных условиях, с увеличением длины фронта работ с 60 до 200 м, время, затраченное комбайном на маневры уменьшилось на 49%, а время на фрезерование увеличилось на 11%; вследствие этого на 4% увеличилась эксплуатационная производительность комбайна; - время чистой работы комбайна на фрезеровании известняков в первый период составляло 67–72% от общего времени смены, во второй период выросло в среднем до 82.7%; - в первый период опытно-промышленных работ время простоев комбайна в ожидании порожних автосамосвалов составило около 20% от времени смены, а к окончанию работ уменьшилось до 2.2%; - дальнейший рост коэффициента производительного использования комбайна может быть достигнут по мере наработки навыков совместной работы оператора комбайна и водителей автосамосвалов.

За период работ с 17 по 28 ноября 2008 г. комбайн израсходовал 2670 л дизельного топлива, наработав со дня первой заправки 47 маш-ч (расход топлива 56.8 л/маш-ч). В период с 7 по 14 февраля 2009 г. было израсходовано 1800 л и наработано 39 машLч (расход топлива 46.2 л/маш-ч).

051

Во второй период опытно-промышленных работ в течение 2 и 3 февраля 2009 г. проводились работы по прогреву отдельных агрегатов комбайна и очистке гусениц от намерзшей глины. К 4 февраля комбайн был подготовлен к работе в забое, но из-за отсутствия зимней солярки начал работу только 8 февраля. Одновременно было принято решение добываемую комбайном горную массу пропускать через ПДСУ.

Как отмечено выше, Михайловский горизонт содержит много глины, поэтому в зимний период представляет из себя перемороженную смесь грунта со льдом, которая прогревалась при фрезеровании, проходя через рабочую камеру фрезерного барабана и далее – в кузове автосамосвала. Все это осложняло сортировку материала на грохотах ПДСУ и приводило к его остановке. Поэтому после двух остановок ПДСУ по причине примерзания налипшего грунта, решили в течение 9 февраля 2009 г. дополнительно зачистить всю поверхность площадки от слоя грунта, содержащего лед уже после этого, с 10 февраля комбайн работал без каких-либо затруднений в комплексе с ПДСУ (фото 4).

Количество загруженных автосамосвалов, а также технические и технологические параметры, с которыми в период с 10 по 14 февраля 2009 г.

работал комбайн 2200 SM на разработке известняка Михайловского горизонта, приведены в таблице (в этот период с 10 по 14 февраля было добыто и пропущено через ПДСУ около 2800 т известняка, реализованного затем потребителю).

Расчет технологических и эксплуатационных параметров безвзрывной технологии разработки известняков комбайном 2200 SM произведен с использованием нижеследующих понятий и терминов.

Эксплуатационное время (Тэ = Тф+ Тр + Тз) включает время фрезерования комбайном с погрузкой (Тф), время на разворот комбайна в конце каждого рабочего хода; время рабочего хода в обратном направлении (Тр) при челночной схеме без холостых ходов; или время обратного холостого хода(то есть время на маневры); время на обмен автосамосвала под погрузку (Тз).

тельность в тоннах за один час эксплуатационного времени (с учетом регламентного обслуживания и простоев по технологическим причинам).

Техническая производительность: производительность в тоннах за один час чистого фрезерования и погрузки (Тф) в транспорт.

Работы по определению параметров безвзрывной технологии добычи известняков комбайном Wirtgen 2200 SM в условиях Михайловского и Веневского горизонтов Пятовского карьера, сложенных разновидностями с пределом прочности на сжатие от 55 до 115–130 МПа, при средних значениях 85–90 МПа, позволили сделать два главных вывода: 1. Достигнутые техническая производительность комбайна Wirtgen 2200 SM от 150 до 300 т/ч и эксплуатационная – от 130 до 200 т/ч, что для данного предприятия недостаточны.

2. В условиях Пятовского карьера для достижения требуемой производительности карьера на уровне не менее 300 т/ч, необходим более тяжелый комбайн – Wirtgen 2500 SM.

Журнал "Горная Промышленность" №1 2009, стр.16